Uusi havainto haihtumisesta: fotomolekyylivaikutus voi tehostaa suolanpoistoa

Lämpötila, ilmankosteus, ilmavirtaus ja paine vaikuttavat siihen, miten nopeasti nestemäinen vesi muuttuu höyryksi. Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) uusi tutkimus vuodelta 2023 viittaa myös valon suoraan vaikutukseen. Tutkijat havaitsivat merkkejä siitä, että fotonit voivat tietyissä oloissa irrottaa vesimolekyyliryppäitä veden ja ilman rajapinnalta ilman, että valoenergia ensin kokonaan muuttuu lämmöksi.

Haihtumiseen vaikuttavat tunnetut tekijät

Havainnon merkityksen ymmärtämiseksi on hyvä kerrata haihtumisnopeuteen vaikuttavia tunnettuja tekijöitä.

1. Lämpö:Vesimolekyylit liikkuvat jatkuvasti. Lämpöenergian vastaanottaminen kasvattaa niiden keskimääräistä liike-energiaa. Riittävän energiset pintamolekyylit voivat voittaa nesteessä vaikuttavat vetovoimat ja poistua höyrynä.
2. Pinta-ala: Haihtumisnopeus riippuu myös veden pinta-alasta. Suurempi pinta-ala mahdollistaa useampien molekyylien altistumisen ilmalle, jossa ne voivat haihtua.
3. Kosteus:Veden pinnan lähellä olevan ilman vesihöyrypitoisuus vaikuttaa nettohaihtumiseen. Mitä lähempänä ilma on kyllästymistä, sitä hitaammin vettä yleensä haihtuu. Samassa lämpötilassa kuiva ilma tavallisesti edistää haihtumista kosteaa ilmaa enemmän.
4. Ilman liike:Tuuli ja ilmavirtaus kuljettavat vesihöyryä pois veden yläpuolelta. Tämä voi vähentää paikallista kosteutta ja edistää haihtumista.
5. Paine:Alhaisempi ympäristön paine laskee veden kiehumispistettä. Vaikutus pintahaihtumiseen riippuu myös lämpötilasta, vesihöyryn osapaineesta ja höyryn poistumisesta. Kiehuminen ja pintahaihtuminen ovat eri ilmiöitä.
6. Veden lämpötila: Ulkoisten lämmönlähteiden lisäksi myös veden oma lämpötila on tekijä. Lämmin vesi haihtuu nopeammin, koska sen molekyyleillä on keskimäärin enemmän energiaa.

Tavanomaisessa lämpöperäisessä haihtumisessa riittävän energiset molekyylit poistuvat nesteestä. Nettohaihtumisnopeuteen vaikuttavat lämpötila, kosteus, paine, ilmavirtaus ja veden paljas pinta-ala. Vuoden 2023 tutkimuksessa tarkasteltiin lisäksi fotonien mahdollista suoraa vaikutusta.

Höyrystyminen, haihtuminen ja tiivistyminen

Neste voi muuttua kaasuksi eri tavoin. Seuraavat käsitteet auttavat erottamaan nämä prosessit toisistaan.

Höyrystyminen:Yläkäsite nesteen muuttumiselle kaasuksi. Se kattaa sekä pintahaihtumisen että kiehumisen. Kiehuessa nesteen sisälle muodostuu höyrykuplia, kun höyrynpaine saavuttaa ympäristön paineen.

Tiivistyminen:Tiivistymisessä höyry muuttuu nesteeksi esimerkiksi jäähtyessään.

Haihtuminen tapahtuu nesteen ja kaasun rajapinnalla, ja sitä voi tapahtua myös kiehumispisteen alapuolella.

Miten ilmiötä tutkittiin?

MIT:n ryhmä teki kokeita ja simulaatioita vettä sisältävillä hydrogeeleillä. Hydrogeeli on runsaasti vettä sitova verkkomainen materiaali. Tutkijat halusivat selvittää aiempia mittauksia, joissa vettä oli haihtunut enemmän kuin syötetyn lämpöenergian perusteella odotettiin.

Tutkijat valaisivat hydrogeelejä aurinkosimulaattorilla ja eri aallonpituuksien valolla sekä mittasivat massahäviötä ja lämpötilaa. Valaisimet suojattiin ylimääräisen lämmön siirtymisen rajoittamiseksi. Voimakkain haihtuminen havaittiin vihreällä valolla noin 520 nanometrin aallonpituudella. Vastaavalla lämpöenergialla tehty sähköinen lämmitys ei tuottanut samaa lämpöperäisen haihtumisen rajan ylitystä.

Ryhmä selitti tuloksia hypoteesilla, jonka mukaan näkyvän valon fotonit irrottavat vesimolekyyliryppäitä suoraan rajapinnalta. Tätä kutsuttiin fotomolekyylivaikutukseksi. Havainnot tukevat muuta kuin lämpöperäistä osuutta haihtumisessa. Valo kuitenkin tuo prosessiin energiaa, joten energian säilyminen ei rikkoudu.

Miksi havainto on tärkeä?

Jos mekanismi vahvistetaan jatkotutkimuksissa ja sitä pystytään hyödyntämään käytännössä, sovelluksia voi löytyä teollisuudesta ja ympäristötieteistä. Haihtumisen säätely voisi esimerkiksi auttaa uusien materiaalien, lämmönhallinnan sekä energian varastointi- ja talteenottojärjestelmien kehittämisessä.

Maataloudessa voitaisiin selvittää, auttaisiko tiettyjen aallonpituuksien rajoittaminen pienentämään haihtumishäviöitä ja tehostamaan kasteluveden käyttöä.

Parempi ymmärrys pisaroiden ja muiden pintojen haihtumisesta voisi parantaa pilvien, sumun ja veden kiertokulun mallintamista.

Lääke- ja elintarviketeollisuudessa mahdollinen sovelluskohde ovat kuivausprosessit, joissa kosteuden poistumista halutaan tehostaa ja säädellä tarkasti.

Rakennuksissa ja kaupunkiympäristössä mekanismi voisi avata mahdollisuuksia aurinkoenergiaa hyödyntävään haihdutusjäähdytykseen. Kyse on mahdollisista kehityssuunnista, ei tutkimuksessa osoitetuista kaupallisista järjestelmistä.

Mahdollinen sovellus suolanpoistossa

Tutkijat nostivat esiin erityisesti aurinkoenergialla toimivan suolanpoiston. Tehokkaammasta haihdutusvaiheesta voisi olla hyötyä, kun höyry kerätään talteen ja tiivistetään makeaksi vedeksi.

Suolanpoistossa vedestä erotetaan liuenneita suoloja. Menetelmiä ovat haihdutus ja tiivistys sekä kalvotekniikat, kuten käänteisosmoosi. Aurinkoenergia voi tuottaa lämpöä tai sähköä. Seuraavat yritykset edustavat alan erilaisia toimintoja; tutkimus ei osoita niiden jo käyttävän fotomolekyylivaikutusta.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Caymansaarilla toimiva Consolidated Water perustettiin vuonna 1973. Se suunnittelee, rakentaa ja käyttää vedenkäsittely- ja meriveden suolanpoistolaitoksia. Meriveden käsittelyssä yhtiö käyttää pääasiassa käänteisosmoosia.

Alkuperäisessä vuoden 2023 katsauksessa Consolidated Waterille ilmoitettiin seuraavat markkinatiedot.

Markkina-arvo: 465 675 764 Yhdysvaltain dollaria

Seuraavan vuoden ennustettuun tulokseen perustuva P/E-luku: 20,06

Osakekohtainen tulos (EPS): ei saatavilla

Solar Water Plc: Tämä brittiyhtiö kehitti aurinkokupoliin perustuvan suolanpoistokonseptin aurinkoisille alueille, joilla makeaa vettä on niukasti. NEOM ilmoitti vuonna 2020 sopimuksesta teknologian pilottihanketta varten.

Abengoa:Espanjalaisella konsernilla on kokemusta suurista suolanpoistolaitoksista ja aurinkoenergiahankkeista muun muassa Lähi-idässä ja Pohjois-Afrikassa.

Abengoa kärsi vuosia talousvaikeuksista. Huhtikuussa 2023 sen tuotannollisia toimintoja määrättiin siirrettäväksi Cox Energylle maksukyvyttömyysmenettelyssä. Tehokkaammat vesi- ja energiaprosessit ovat edelleen näille toiminnoille merkityksellisiä.

Esimerkit kuvaavat vesihuollon erilaisia ratkaisuja. Suolanpoisto voi auttaa kuivien alueiden makean veden tarpeessa, kun myös energiankulutus, kustannukset ja syntyvän suolaliuoksen käsittely huomioidaan.

Lopuksi

Havainto osoittaa, että tuttujakin käsitteitä ja prosesseja tutkittaessa voidaan löytää uusia mekanismeja. Mahdolliset sovellukset ulottuvat suolanpoistosta ja kuivauksesta ilmaston mallintamiseen ja jäähdytykseen.

Consolidated Waterin, Veolian ja Solar Water Plc:n kaltaisille yrityksille tieteelliset edistysaskeleet voivat ajan mittaan tarjota kehitysmahdollisuuksia. Laboratoriotuloksen muuttaminen luotettavaksi ja kannattavaksi ratkaisuksi edellyttää jatkokokeita.